作者：貿(mào)澤電子 Bill Schweber

機(jī)器人執(zhí)行特定的、精確定義的任務(wù)，比如流水線作業(yè)，手術(shù)援助，倉(cāng)庫(kù)發(fā)貨/檢索，甚至還有礦井清理。當(dāng)前的機(jī)器人可以同時(shí)處理高度重復(fù)的任務(wù)和復(fù)雜的功能，比如需要具備方向和行動(dòng)上（圖1）的靈活性。隨著技術(shù)的改進(jìn)，速度和靈活性在提升，成本也有所下降，人們的接受程度也在增加。目前已接近行業(yè)中的拐點(diǎn)，即機(jī)器人的成本效益比人工勞力更好。此外，機(jī)器視覺(jué)、計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)方面的進(jìn)步促使機(jī)器人獲得了更廣泛的應(yīng)用。

圖1：目前人們也經(jīng)在許多應(yīng)用中采用機(jī)器人，覆蓋小到小型拾放機(jī)以及大到大型汽車自動(dòng)組裝生產(chǎn)線

以下技術(shù)進(jìn)步成就了當(dāng)前的高性能機(jī)器人：

?各類復(fù)雜的傳感器

?計(jì)算能力以及算法支持實(shí)時(shí)決策和動(dòng)作

?電機(jī)可以快速、高精度地使用機(jī)械動(dòng)力來(lái)完成日益復(fù)雜的任務(wù)。

每個(gè)因素都對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)起了至關(guān)重要的作用，因?yàn)榧夹g(shù)的進(jìn)步以及它們之間存在協(xié)同發(fā)展效應(yīng)。

傳統(tǒng)上，管理電機(jī)對(duì)電子工程師來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多問(wèn)題與更熟悉的電子領(lǐng)域表現(xiàn)差異巨大。幸運(yùn)的是，技術(shù)進(jìn)步使得這些問(wèn)題更易于處理，同時(shí)也帶來(lái)了更好的性能。例如，德州儀器DRV8816雙半橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成了內(nèi)部保護(hù)功能和低功耗睡眠模式，從而靜態(tài)電流可以非常小。高度集成的控制器和驅(qū)動(dòng)器將電子和電機(jī)的靈活性和集成度提升到一個(gè)新水平。

選擇電機(jī)指南

在選擇特定的電機(jī)類型和型號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮三個(gè)主要參數(shù)：

1. 電機(jī)的最小和最大速度（和相關(guān)聯(lián)的加速度）;

2.電機(jī)可以提供的最大扭矩，和轉(zhuǎn)矩與速度曲線;

3. 電機(jī)操作的精度和重復(fù)性（在不使用傳感器和閉環(huán)控制時(shí)）。

當(dāng)然，也有涉及電機(jī)選擇的其它諸多性能因素，包括尺寸大小，重量和成本。對(duì)于幾乎所有小到中型的機(jī)器人傳動(dòng)裝置，為傳動(dòng)裝置供電的最常用選擇包括直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC）和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 （不過(guò)，也有一些案例中，最好選擇是液壓與氣壓）

有刷電機(jī)是最早的直流電機(jī)技術(shù)，也是最簡(jiǎn)單、成本最低的選擇。電機(jī)的轉(zhuǎn)子經(jīng)由通電刷來(lái)開(kāi)關(guān)（整流）圍繞轉(zhuǎn)子繞組的磁場(chǎng)，而電刷與轉(zhuǎn)子接觸。電機(jī)速度是施加電壓的函數(shù)，因此，驅(qū)動(dòng)要求最小值，但管理轉(zhuǎn)矩很難。而且也有因電刷磨損引發(fā)的可靠性問(wèn)題，可能需維護(hù)清潔性，并且也是電噪聲（EMI）的來(lái)源。基于這些原因，直流有刷電機(jī)在大多數(shù)情況是機(jī)器人最差選擇。

直流無(wú)刷馬達(dá)（圖2）大約出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，相對(duì)于有刷電機(jī)，使用了小型低成本強(qiáng)力的永久磁鐵和小型高效的電子開(kāi)關(guān)（通常的MOSFET）來(lái)切換電流到繞組流向。 “電子換向”取代了需要實(shí)際觸摸電機(jī)的電刷，以接通和關(guān)斷磁場(chǎng)。因此，磁場(chǎng)和電能流之間的關(guān)系得以被發(fā)掘使用。電機(jī)速度通過(guò)改變MOSFET的接通和斷開(kāi)的速度來(lái)控制。另外，相較于有刷電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)控制器在馬達(dá)性能控制方面更嚴(yán)格。

圖2：在無(wú)刷電機(jī)中，線圈電流以電子方式在定子繞組中開(kāi)斷，而它們的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子中的永久磁鐵相互作用。在該圖中，未出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子位于中心位置。